Bioingegneria elettronica

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1 CdL in Tecniche di Laboratorio Biomedico Bioingegneria elettronica Prof. Crescenzio Gallo

2 Memorie di massa!2

3 Le memorie di massa Le memorie secondarie o di massa sono utilizzate per memorizzare grandi quantità di informazioni in modo permanente. Caratteristiche principali (rispetto alla memoria centrale): non volatilità grande capacità bassi costi bassa velocità di accesso Tali memorie si caratterizzano inoltre per due elementi: il supporto di memorizzazione (HD, CD, DVD,...) il drive (il dispositivo per funzionare/memorizzare)!3

4 Le memorie di massa La tecnologia normalmente utilizzata per la registrazione è di tipo magnetico, ottico o elettronico. Il supporto è tipicamente un disco. Due tipi di dischi magnetici: dischi fissi (hard disk) dischi rimovibili (floppy disk, ormai in disuso) Le memorie elettroniche (pendrive, SD card,...) hanno ormai pienamente sostituito i floppy.!4

5 Hard disk Introdotto da IBM nel Hard Un disco Disk magnetico (IBM, (disco fisso) 1956) è composto da uno o più piatti rotanti (generalmente di alluminio) ricoperti di materiale magnetico e da un gruppo di testine. Un disco magnetico (disco fisso) è composto da uno o più La testina (sospesa appena sopra la superficie magnetica) permette la scrittura e lettura piatti rotanti (generalmente di alluminio) ricoperti di di bit su un disco. materiale magnetico e da un gruppo di testine I bit sono memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa). La testina (sospese appena sopra la superficie magnetica) permette la scrittura e lettura di bit su un disco. I bit sono memorizzati sotto forma di stati di polarizzazione (positiva e negativa) 3!5

6 Hard disk disk Scrittura: la testina emette impulsi elettrici che polarizzano in uno dei due modi Scrittura: possibili le la particelle testina magnetiche emette impulsi presenti elettrici sul supporto.! che polarizzano in uno dei due modi possibili le particelle magnetiche presenti sul supporto Lettura: le particelle magnetiche inducono sulla testina una corrente elettrica che è diversa a seconda della polarità della cella in lettura.! Lettura: NOTA: i dati le memorizzati particelle magnetiche sono in forma binaria, inducono ossia sulla sono interpretabili testina una come corrente elettrica che è diversa a seconda della polarità della cella in lettura sequenze di 0 e 1 NOTA: i dati memorizzati sono in forma binaria, ossia sono interpretabili come sequenze di 0 e 1!6

7 Organizzazione di un hard disk L unità è in realtà costituita da diversi dischi (disk-pack). Entrambe le superfici di ogni disco sono rivestite di materiale ferromagnetico sul quale vengono memorizzate le informazioni. Le operazioni di lettura e scrittura sono realizzate da testine, poste su bracci e movimentate da un attuatore.!7

8 Organizzazione della superficie Tutte le informazioni memorizzate sul disco sono organizzate in tracce (corone circolari concentriche disposte sulla superficie del disco).! Le tracce sono numerate a partire da zero dal bordo del disco e procedendo verso l interno.! Tutte le circonferenze (tracce) sono a loro volta suddivise in un numero uguale di settori, contenenti uno o più blocchi (normalmente da 512 byte) che sono le più piccole unità di memorizzazione sul disco.! Normalmente il sistema operativo, quando formatta il disco, lo organizza in unità di allocazione dette cluster, costituite da più blocchi.! Siccome l unità è formata da ogni più traccia dischi, su ad un ogni disco traccia corrispondono su un disco tracce omologhe sugli altri dischi, che, corrispondono tracce omologhe sugli altri dischi, che, nell insieme, nell insieme, formano un cilindro. formano un cilindro.! Cilindri, tracce e settori costituiscono la cosiddetta geometria del disco. Organizzazione della superficie del disco Tutte le informazioni memorizzate sul disco sono organizzate in tracce (corone circolari concentriche disposte sulla superficie del disco). Le tracce sono numerate a partire da zero dal bordo del disco e procedendo verso l interno. Ogni traccia è divisa in più blocchi (da 512 byte) denominati settori, che sono le più piccole unità di memorizzazione sul disco. Siccome l unità è formata da più dischi, ad Francesco Fontanella, Corso di Sistemi di Elaborazione dell'informazione a.a. 2009/2010!8

9 Formattazione di un HD Formattazione! Operazione che predispone tracce e settori per la lettura/scrittura.! Circa il 15% dello spazio si perde in gap e codici di correzione errori.! Gap! Piccolo spazio separatore tra ogni singola traccia.! Codici correzione errori Lo scambio di informazioni tra sistemi (per esempio CPU e RAM) è un flusso di elettroni ed è quindi soggetto a rumori tipicamente di natura elettromagnetica che possono distorcere il segnale (informazione) iniziale.! In informatica la correzione di errore avviene arricchendo l informazione iniziale con altre informazioni ridondanti.!9

10 i lettura/scrittura emorizzate sul disco sono Operazioni codificate di sotto lettura/scrittura forma di stati di ne di zone del materiale magnetico disposto sulla superficie Lettura e scrittura su disco Le informazioni memorizzate sul disco sono codificate sotto forma di stati di memorizzazione di zone del materiale magnetico disposto sulla superficie Le informazioni memorizzate del disco. sul disco sono codificate sotto forma di stati di memorizzazione di zone del materiale ferromagnetico disposto sulla superficie del disco.! ttura/scrittura sono realizzate dalle testine tramite le Le operazioni di lettura/scrittura sono realizzate dalle testine tramite le seguenti fasi: Le operazioni di lettura/scrittura sono realizzate dalle testine tramite le seguenti fasi:! 1. Posizionamento della testina sulla traccia (cilindro) di interesse; to della testina sulla traccia (cilindro) di interesse; 1. Posizionamento (seek) della testina sulla traccia (cilindro) di interesse! 2. Attesa (latency) del passaggio 2. Attesa del del passaggio settore del di settore interesse! di interesse; 3. Lettura o scrittura del 3. dato Lettura (transfer)! o scrittura del dato. saggio del settore di interesse; ura del dato. Date le alte velocità di rotazione, le testine non toccano la superficie del disco, tipo random ma planano su di Date essa, le alte mantenendosi velocità di rotazione, ad le testine una distanza dell ordine di 10-4 mm. di rotazione, le testine erficie del disco, ma a, mantenendosi ad una di 10-4 mm. Accesso ai dati di non toccano la superficie del disco, ma planano su di essa, mantenendosi ad una distanza dell ordine di 10-4 mm. Francesco Fontanella, Corso di Sistemi di Elaborazione dell'informazione a.a. 2009/2010 Accesso ai dati di tipo random!10

11 Tempo di accesso al disco Il tempo di accesso al disco (alcuni msec) è influenzato da tre fattori:! Seek time: è il tempo necessario a spostare la testina sulla traccia; è il fattore più critico poiché si tratta di un movimento meccanico e non di un impulso elettrico.! Latency time: (anche rotational latency, latenza rotazionale) è il tempo necessario a posizionare il settore desiderato sotto la testina, e dipende dalla velocità di rotazione (~ giri/min).! Transfer time: è il tempo necessario al settore per passare sotto la testina, riguarda la lettura vera e propria.! Il tempo di accesso pertanto è dato dalla somma di questi tre termini: Seek + Latency + Transfer time!11

12 RAID Redundant Array of Independent Disks Tecnologia per migliorare l efficienza nell accesso alle memorie di massa e la sicurezza. Sono disponibili sostanzialmente tre tipologie:! RAID 0 (striping): consiste nello scrivere in parallelo su più dischi i dati, in modo da ridurre drasticamente i tempi di accesso (permette di combinare un insieme di dischi in una sola unità logica=volume). Sicurezza molto bassa.! RAID 1 (mirroring): scrittura contemporanea su due dischi degli stessi dati. Massima sicurezza, ma raddoppio dei tempi di scrittura.! RAID 5 (striping con parità): come RAID 0 ma usa una divisione dei dati a livello di blocco con i dati di parità distribuiti tra tutti i dischi appartenenti al RAID, in modo da poter ricostruire i dati memorizzati su un disco guasto, che normalmente può essere sostituito a caldo (hot-swap).! Tipicamente si utilizzano anche combinazioni delle tecnologie precedenti (ad es. RAID 0+1).!12

13 Le Memorie Ottiche Memorie ottiche Scrittura: viene emesso un raggio laser che crea sottili scanalature sulla superficie del disco, creando un alternanza di zone chiare (intersolchi) e scure (scanalature)! Scrittura: viene emesso un raggio laser che crea sottili scanalature sul superficie del disco, creando un alternanza di zone chiare (intersolchi) e scu (scanalature) Lettura: il raggio laser colpisce la superficie del disco e la luce viene riflessa in quantità maggiore o minore a seconda della zona colpita. Un rivelatore fotoelettrico misura la differenza di tale intensità e converte i segnali in una sequenza binaria.! NOTA: anche in questo caso i dati sono memorizzati in forma binaria. Lettura: il raggio laser colpisce la superficie del disco e la luce viene riflessa quantità maggiore o minore a seconda della zona colpita. Un rivelato!13 fotoelettrico misura la differenza di tale intensità e converte i segnali in un

14 Realizzato originariamente per l audio 650 Mbytes per oltre 70 minuti di audio Disco in policarbonato con un anima in materiale altamente riflettente, di solito alluminio I dati sono codificati tramite pits e lands Compact disk di tipo ottico CD-ROM Realizzato originariamente per l audio (CD audio, 1980): 650 MB per 74 minuti o 700 MB per 80 minuti di audio Nel 1988 standard CD-R per i dati Disco in policarbonato con izzato originariamente per l audio bytes per oltre 70 minuti di audio in policarbonato con un anima in materiale ente riflettente, di solito alluminio sono codificati tramite pits e lands un anima in materiale altamente riflettente, di solito alluminio I dati sono codificati tramite pits e lands Tutti i supporti ottici (CD, DVD, Blu-Ray, etc.) hanno avallamenti (pits) e zone piane (lands). Queste sono zone microscopiche e rappresentano le informazioni binarie dei dati memorizzati sul disco. Un land riflette il laser in un sensore registrandolo come un 1; quando la luce colpisce un pit, si disperde e non vi è riflessione, e corrisponde ad uno 0.!14

15 Organizzazione del CD Un CD tipicamente memorizza i dati su un unica traccia, che si avvolge a spirale, per migliorarne l accesso sequenziale.! La traccia è divisa in settori di dimensione costante in cui i dati sono registrati.! Le unità CD audio sono single speed : hanno una velocità lineare costante di 1,2 m/sec;! - la lunghezza della traccia è di circa 5,27 Km, per cui sono necessari circa secondi (73,2 minuti) per percorrerla tutta;! - con questa velocità, l unità assicura un transfer rate di circa 150 Kbyte/sec.! Le altre velocità sono definite come multipli della velocità base audio (es. 40x) L operazione di scrittura di un CD viene effettuata ad una data temperatura, in maniera tale da bruciare (burn) lo strato riflettente in quello specifico punto e creare un pit. Un CD-R, a differenza di un CD audio, riserva un certo numero di settori per la correzione degli errori di scrittura.!15

16 CD-RW Sono dischi ottici riscrivibili (introdotti nel 1997)." Lo strato di registrazione utilizza una lega di argento, indio, ammonio e tellurio che ha due stati stabili:" lo stato cristallino, con elevata capacità di riflessione (land); lo stato amorfo, con ridotta capacità di riflessione (pit). Si usa un laser con tre potenze diverse:" alta potenza: il laser scioglie la lega e un raffreddamento rapido la porta dallo stato cristallino a quello amorfo; media potenza: la lega si scioglie e si raffredda tornando nel suo stato cristallino; bassa potenza: si rileva solo lo stato del materiale.!16

17 DVD (Digital Versatile Disk) Disk (DVD) I DVD, a parità di dimensioni, contengono I DVD, a maggiore parità di informazione dimensioni, rispetto contengono ai CD, grazie a:! maggiore informazione rispetto ai CD, grazie a: Pit più piccoli; pit più piccoli! spirale più serrata; spirale più serrata! utilizzo del laser rosso; utilizzo del laser rosso! I DVD hanno una capacità di 4,7 I GB, DVD pari hanno a 133 una minuti capacità di video di 4.7 ad Gbyte, alta pari a 133 minuti di video ad alta risoluzione, con risoluzione, con colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in 32 lingue! colonna sonora in 8 lingue e sottotitoli in 32 lingue; Esistono diversi formati di DVD:! lato unico, strato unico (SS/SL) 4,7 GB! Esistono diversi formati di DVD: lato unico, strato doppio (SS/DL) 8,5 GB! Lato unico, strato unico (4.7 GB); due lati, stato unico (DS/SL) 9,4 GB! Lato unico, strato doppio (8.5 GB); due lati, strato doppio (DS/DL) 17 Due GB! lati, stato unico (9.4 GB) Possono anch essi essere scrivibili una Due sola lati, strato volta (DVD-R) doppio (17 o GB) riscrivibili (DVD-RW)! Standard di scrittura leggermente differente DVD+R, DVD+RW! Francesco Fontanella, Corso di Sistemi di Elaborazione dell'informazione a.a. 2009/2010 Standard DVD-RAM: utilizzabile in lettura e scrittura come un normale hard-disk!17

18 Unità nastro Nastri magnetici (1950) unità DAT Traccia 1 Traccia 9 Capacità di diversi GB Molto lenti Utili solo per operazioni di backup Molto lente 17 Record Inter-record gap Introdotte nel 1950 Capacità Accessodi sequenziale diversi ai GB dati(anche centinaia) Accesso sequenziale ai dati Utili solo per operazioni di backup!18

19 Interfacce/Porte!19

20 INTERFACCE ESTERNE Interfacce esterne Modello di von Neumann CPU Memoria Centrale Bus di sistema Memoria di Massa Interfaccia Periferica 1 Interfaccia Periferica 2 Unità esterne!20

21 Collegamento delle unità esterne Tutta l attività di ingresso/uscita avviene con l uso di unità esterne: tastiera, mouse, monitor, stampante, scanner, microfoni/altoparlanti, webcam,...! Problema: molti dispositivi, realizzati da costruttori diversi.! Come si gestisce il collegamento con il calcolatore? Necessità di standard.! Il collegamento tra calcolatore ed unità esterne avviene tramite connessioni standard (porte periferiche), alle cui specifiche i costruttori devono attenersi.!21

22 Collegamento tra calcolatore ed unità esterne Collegamento delle unità esterne Il collegamento tra calcolatore ed unità esterne avviene tramite connessioni standard (porte periferiche), alle cui specifiche i costruttori devono attenersi. Il collegamento tra calcolatore ed unità esterne prevede un flusso Il collegamento tra calcolatore ed unità esterne prevede un flusso bidirezionale di byte di byte di dati di tra dati i due, tra che i può due, avvenire che può in due avvenire modalità in due modalità diverse, distinte diverse, in base distinte al parallelismo in base al del parallelismo trasferimento: del trasferimento: seriale parallelismo: 1 bit parallelo parallelismo: 8 bit N N Bioingegneria elettronica Francesco - Prof. Crescenzio Fontanella, Gallo Corso di Sistemi di Elaborazione dell'informazione a.a. 2009/2010!22

23 Le porte Le porte sono i dispositivi che permettono l invio e la ricezione delle informazioni dalle periferiche.! Sul retro di un case vi sono dei connettori speciali che collegano l unità centrale con le periferiche, tramite cavi.! Prima di connettere le periferiche al computer era una volta necessario quasi sempre interrompere l alimentazione spegnendo l elaboratore ma ciò non vale per le periferiche di nuova generazione (Plug&Play).! A seconda della tipologia di collegamento abbiamo diversi tipi di porte e di connettori (con diversi schemi di comunicazione sui piedini dei connettori e diversi protocolli).!23

24 Le porte La porta seriale! La porta parallela! La porta SCSI! La porta PS/2! La porta VGA! La porta HDMI! La porta IDE/ATA! La porta USB! La porta Firewire (IEEE 1394)!24

25 La porta seriale Le porte seriali (dette anche RS-232) hanno un connettore a 25 pin (piedini) o 9 pin.! Su un PC il nome delle porte seriali è COM1, COM2 etc., dove COM è l abbreviazione di COMmunication (comunicazione) ed il numero indica se è la prima, la seconda etc.! I computer sino a non molto tempo fa erano dotati, in genere, di due porte seriali. Oggi tendono ad essere sostituite da porte più versatili ed a maggiore capacità di trasmissione (USB, etc.) La porta seriale è stata usata per collegare i mouse ai primi PC ed anche la stampante (soppiantato dalla porta parallela, e poi da USB e dalle stampanti di rete).! La porta seriale è stata molto usata per connettere dispositivi specializzati, come ad esempio lettori di codici a barre e di tessere magnetiche.!25

26 La porta parallela Le porte parallele hanno un connettore a 25 piccoli fori. Il trasferimento dei dati avviene 8 bit alla volta.! Su un PC il nome delle porte parallele è LPT1, LPT2 etc., dove LPT è l abbreviazione di Line PrinTer (stampante a linee) ed il numero indica se è la prima, la seconda etc. porta parallela.! Anche se è nata per connettere le stampanti la porta parallela è stata in seguito usata anche per altre applicazioni.! I computer avevano, in genere, una porta parallela, che oggi tende ad essere sostituita con porte più versatili ed a maggiore capacità di trasmissione (USB, etc.).!26

27 La porta SCSI Le porte SCSI (Small Computer System Interface) supportano fino a 8/16 periferiche in cascata che richiedono alta velocità di trasferimento (per quella finale, se la porta non è auto-terminante, occorre un tappo). Un singolo adattatore SCSI è ad es. in grado di interfacciare contemporaneamente un computer a più dischi rigidi, ad un drive CD-ROM, ad una unità a nastri ed ad uno scanner. Il cavo che esce da una porta SCSI è un bus (multidrop) a 8 bit (16 nello standard SCSI-2 e in quello più recente SCSI-3) parallelo. SAS (Serial Attached SCSI) bus seriale punto-punto; max periferiche. Velocità fino a 640 MB/s.!27

28 La porta PS/2 La porta PS/2 si usa (ma ormai è quasi soppiantata completamente dalla porta USB) per connettere il mouse e la tastiera.! Il nome viene dalla serie di computer IBM Personal System/2 introdotta nel 1987.!28

29 La porta VGA Il connettore VGA (Video Graphics Array) viene spesso chiamato anche con altri nomi (ad esempio connettore RGB, D-sub 15, mini sub D15 e mini D15).! Ne esistono diverse versioni; viene utilizzato per collegare monitor aggiuntivi o proiettori.!29

30 La porta HDMI High-Definition Multimedia Interface: uno standard commerciale completamente digitale per l'interfaccia dei segnali audio e video, creato nel 2002 dai principali produttori di elettronica.! Retro-compatibile con l'interfaccia digitale DVI che è in grado, però, di trasportare solamente il segnale video.! La versione 1.3 arriva fino a 10,2 Gb/s.!30

31 La porta IDE/ATA La porta IDE (Integrated Drive Electronics) è l input/output di un controller (controllore HW di una periferica) e al contrario delle altre è solitamente all interno del case.! Può controllare fino a due hard disk o altre periferiche IDE.! Oggi vi si fa riferimento piuttosto con in termine ATA (Advanced Technology Attachment) e viene usata per collegare dischi o CD all interno del case.! Nuovo standard SATA (Serial ATA), con transfer rate fino a 600 MBps.!31

32 L interfaccia Universal Serial Bus (USB) E un interfaccia seriale progettata per: L interfaccia USB (Universal Serial Bus) connettere contemporaneamente più periferiche realizzare connessioni hot swap assicurare un alta velocità L interfaccia di trasferimento Universal Serial Bus (USB) E un interfaccia seriale progettata per:! Caratteristiche: E un interfaccia seriale progettata per: connettere contemporaneamente più periferiche! Fino connettere contemporaneamente più periferiche realizzare a 127 unità connessioni collegate realizzare hot su swap! una stessa connessione (tramite hub) connessioni hot swap Velocità massima: 12 assicurare Mbit/sec un alta (USB velocità 1.1) di 480 trasferimento Mbit/sec (USB 2.0) ideale assicurare per connettere un alta velocità mouse, di scanner, trasferimento! modem Caratteristiche:! Caratteristiche: Fino a 127 unità collegate su una stessa connessione (tramite hub) Velocità massima: 12 Mbit/sec (USB 1.1) 480 Mbit/sec (USB 2.0) ideale per connettere mouse, scanner, modem fino a 127 unità collegate su una stessa connessione (tramite hub)! velocità massima: 12 Mbit/sec (USB 1.1), 480 Mbit/ NOTA sec (USB 2.0), 4800 Mbit/sec (USB 3.0)! Lo standard è stato sviluppato da: NOTA Intel, ideale Compaq, per connettere Microsoft, mouse, scanner, modem Lo standard Digital è Equipment stato sviluppato Corporation, da: IBM, Northern Telecom Intel, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation, IBM, Northern Telecom Francesco Fontanella, Corso di Sistemi di Elaborazione dell'informazione a.a. 2009/2010 a.a. 2009/2010 Francesco Fontanella, Corso di Sistemi di Elaborazione dell'informazione!32

33 L interfaccia FireWire (IEEE 1394) E un ulteriore standard di interfaccia seriale (di proprietà della Apple) che ha caratteristiche simili a USB (prestazioni migliori di USB 2, peggiori di USB 3):! connessione contemporanea a più periferiche! connessioni hot swap! alta velocità di trasferimento: fino a 400 Mbit/sec (IEEE 1394a) e 800 Mbit/ sec (IEEE 1394b)! adatta per interfacciare periferiche che richiedono una banda ampia (telecamere digitali, VCR, etc.)!33

34 Periferiche!34

35 Tipologie di periferiche Le periferiche sono dispositivi utilizzati per l ingresso (INPUT), l uscita (OUTPUT) o la la memorizzazione di dati.! Sono esterne all unità centrale e ad essa collegate (indirettamente, tramite il bus) per mezzo di opportune interfacce/ porte.!35

36 Periferiche di INPUT/OUTPUT INPUT Tastiera Trackpad Trackball Joystick Scanner: risoluzione ottica, profondità di colore, OCR Tavoletta grafica Mouse Lettore di codice a barre Scheda audio Foto/videocamera digitale OUTPUT Monitor (LCD, CRT): dot pitch, frequenza di aggiornamento, scheda video Stampante (laser, inkjet, termica, a impatto) I/O Monitor touch-screen Modem!36

37 Periferiche di memorizzazione Unità disco (Hard-Disk): MBR (Master Boot Record) - Alcuni TB Unità nastro (Cartridge, DAT, bobine) - Centinaia di GB Unità ottiche CD (R/RW): standard ISO9660, CD-ROM usa settori da 2KB, CD-DA usa 75 settori/sec., CD-XA può registrare tracce audio e video - Max 700 MB Unità ottiche DVD (R/RW): doppia superficie/doppio strato, DVD-RAM nelle videocamere - Max 50 GB nei Blu-Ray Unità magneto-ottiche (scrittura elettromagnetica, lettura ottica): WORM (R)/RW - Alcuni GB Pendrive USB (memoria flash tipicamente NAND): max 256GB per Backup Archiviazione off-site!37

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